帶式輸送機帶速監測平臺設計

范詩琪，吳 青，曾 飛,2，李梓龍

（1.武漢理工大學 港口裝卸技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430080；2.南通大學 交通學院，江蘇 南通 226019）

1 引言

我國作為世界港口大國，近年來港口建設數量、規模、年吞吐量、面積都以驚人速度增長，隨之引發的能耗問題日益顯著。截止2011年底，我國共有生產用碼頭泊位31 968個，港口貨品吞吐量和集裝箱吞吐量持續9年位居世界第一。作為港口散料裝卸關鍵設備之一，帶式輸送機因通常以恒定轉速運行，當皮帶空載或者輕載狀態時，能源浪費巨大。為發展節能調速技術，必須優化研究帶速測量。然而，在電頻器調節電機速度的過程中，由于皮帶具有粘彈性，電機頻率轉換的速度不能直觀反映帶速[1]。因此，設計一種方案以實時監測帶式輸送機皮帶的速度至關重要。

散貨碼頭帶式輸送機帶速監測平臺是一種優化帶速控制和實現帶速閉環控制的重要前提。國內外研究中通過建立準確的帶速控制模型以實現帶速閉環控制至今還是一片空白[2～5]。帶速監測平臺的設計在滿足基本需求的基礎上，應還具有一定的可擴展性。因此，通過分析帶式輸送機對帶速遠程監控的需求，結合輸送帶動力學特性，本文設計并開發了一套帶式輸送機帶速遠程監測裝置。

2 帶速遠程監控系統設計方案

帶式輸送機帶速監測平臺主要由本地設計和遠程設計組成。本地設計主要由單片機最小系統、速度檢測模塊、電源、顯示模塊、遠程通訊模塊等組成，遠程設計可以由服務器、手機終端等組成。系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

對于散貨碼頭帶式輸送機，皮帶機托輥和驅動滾筒都能反映皮帶速度[6-7]，從測量穩定性和安裝方便性考慮，本文選擇了在帶式輸送機的驅動滾筒安裝光電編碼器的測速方式。其中光電編碼器需要由支架固定[8-9]，固定光電編碼器的支架由兩塊環氧樹脂板通過角鐵連接而成，其中一塊板固定在驅動滾筒一側的皮帶機框架上，另一塊垂直于上一塊且中心打孔用于安裝光電編碼器。光電編碼器的接頭與一匹配的安裝軸用聯軸器相連，安裝軸與驅動滾筒中的孔過盈配合，如圖2所示：

圖2 傳感器安裝示意圖

3 帶速遠程監測系統硬件設計

設計中，首先在帶式輸送機上加裝傳感器，實現對皮帶機帶速的實時測量和遠程監控。通過傳感器采集數據信息，單片機根據所檢測的信號實現轉速測量即驅動滾筒的轉速，經過計算轉換為皮帶機的線速度，由顯示模塊實時顯示帶速，通訊模塊完成信息遠程傳輸。帶式輸送機速度遠程監測系統的硬件電路設計包括電源轉換電路設計、單片機系統模塊電路設計、傳感器模塊電路設計、液晶屏模塊電路設計、遠程監控模塊設計。

3.1 單片機系統設計

散貨碼頭帶式輸送機帶速遠程監測系統的關鍵是完成速度監控和帶式輸送機的信號處理。采用單片機作為整個系統的核心就可以充分發揮其強大的控制功能和價格低廉等優點。在這里本文選用STM32F103處理器作為主控裝置。主控裝置的最小系統包括微型處理器、時鐘電路以及復位電路，同時設計有JTAG接口電路。在應用上，用STM32F103設計系統簡單方便，具有復用IO 口重映射功能，為PCB 制板提供了便利，且全部引腳都可以作為中端輸入。

3.2 電源轉換設計

電源是帶式輸送機帶速監測系統的動力來源，負責為單片機、傳感器、顯示器等硬件提供穩定可靠的電壓。該系統由一個5V 電源供電，但是單片機需要+3.3V 電源，所以使用AMS1117-3.3 電源轉換電路將5V 電源轉化為3.3V 電源供STM32F103 處理器使用，結合選用并聯電容電路的方式濾除交流。同時，在電路中加入穩壓管SMLVT3V3，反向擊穿電壓是3.3V，擊穿電流200μA，它起到了穩定直流電壓的作用，并限定電路中的工作電流，使電路工作在合適的狀態。

3.3 傳感器模塊設計

光電編碼器作為本設計選用的傳感器，具有將轉速轉化為線速度的作用。由于其輸出信號為數字信號，數據采集更為便捷。光電編碼器有增量式、絕對式兩種。其中，增量式光電編碼器不僅精度高、體積小，而且性能穩定、性價比更好，因此，相比于絕對式光電編碼器具有更為廣泛的應用。光電編碼器測量皮帶速度，選用的是增量式光電編碼器，可以直接運用光電轉換原理，由輸出軸輸出數字脈沖信號，交由單片機進行處理。

系統加裝的光電編碼器，選用分辨率為1 000P/R 的歐姆龍編碼器。工作時光電編碼器被驅動滾筒帶動，輸出方波信號，即光電編碼器每轉1圈產生1 000個脈沖，就會有1 000個上升沿輸出，通過數脈沖個數就可以知道光電編碼器轉了多少圈，即驅動滾筒軸轉了多少圈，由此可得總圈數，進一步可求得皮帶速度。

3.4 液晶屏模塊設計

本設計是通過LCD1602液晶顯示屏實時地顯示皮帶的速度。顯示原理是，顯示模塊通過單片機接收速度信號，通過控制程序將ASCII碼轉化為字符。

3.5 遠程監控模塊設計

GSM 模塊用到的是西門子公司經典的蜂窩通信引擎TC35i終端。該模塊有標準的RS-232接口，提供標準的AT命令接口，符合ETSI 標準GSM07.07 和GSM07.05，可支持短消息、數字、語音消息發送，提供可靠、安全、高效的傳輸，方便應用開發及設計。

4 帶速遠程監測系統軟件設計

系統軟件主要包括中斷服務程序和功能函數兩個部分。首先，系統軟件通過初始化單片機，使單片機處于工作狀態；當單片機收到某些模塊的中斷請求，便開始調用該模塊的中斷服務程序；等中斷程序結束后，單片機開始調用關鍵的功能函數進行數值計算，比如速度計算等；通過得到的脈沖信號來驅動LCD1602顯示數字并計算脈沖數以及由定時器中斷服務程序得到時間，就可以計算出皮帶的速度；并通過通訊模塊完成信息的傳遞。

4.1 速度與顯示算法

單片機在捕捉到一個脈沖上升沿時就產生一次中斷，此時脈沖數加1，光電編碼器每轉1 圈輸入1 000 個脈沖。設計采用設置兩級中斷定時器脈沖總數每5μs 自加1，計數脈沖數u16PulseCounter2每10ms歸零一次。系統將10ms內的脈沖數轉化為皮帶機皮帶的線速度。與光電編碼器相連接的驅動滾筒每轉1 圈輸出1 000 個脈沖，所以u16PulseCounter2/1 000 就是指光電編碼器在這段時間內轉的圈數。驅動滾筒直徑D為222mm，位移量是（u16PulseCounter2/1 000）*π*222，時間為10ms，即0.01s，因此速度V=698*u16PulseCounter2/10；在下一個10ms 中斷之前計數脈沖數被置0，即u16PulseCounter2=0。設光電編碼器轉速為μ(P/R),中斷時間為T(s)，驅動滾筒直徑為D(mm),中斷時間內的脈沖數為N，則帶速V(mm/s)的計算公式如下：

單片機內部處理傳感器的信號計算脈沖數，同時驅動液晶屏顯示數字。通過編程對LCD1602 進行管腳配置，設置兩行顯示，配置寫指令函數和寫數據函數，第一行顯示數據中，把5位數字的萬位、千位、百位、十位、個位上的數字分別提出來，再顯示在屏幕上，數字提取如下：wan=count/10 000；qian=count%10 000/1 000； bai=count%1 000/100；shi=count%100/10；ge=(int)(count%10)。

4.2 遠程通訊模塊配置

在收發短信方面，共產生三種模式，分別為：BLOCK 模式(快模式)、TEXT 模式(文本模式)和PDU 模式。BLOCK 模式需要生產廠家提供驅動支持；TEXT 模式開發方便簡單，但只能發送ASCII 碼；PDU 模式則發送圖片、鈴聲、中文。這里使用TEXT就可以了。短信模式下的數據發送流程如圖3所示。

圖3 短消息發送流程圖

[1]曾飛,吳青,初秀民,等.散貨碼頭帶式輸送機調速節能研究進展[J].制造業自動化,2013,35(9):1-4.

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